土坝地震孔隙水压力产生、扩散和消散的三维动力分析

本文将地震孔隙水压力与土坝(尾矿坝)的变形和固结紧结合起来,引用著名的皮奥(Biot)方程,用空间等参数有限单元法求解位移和残余孔隙水压力;提出了一种用于土坝动力分析的非线性三维有效应力分析力法。该法不仅可计算地震动应力、动应变、加速度,而且可以计算地震期间和地震后孔隙水压力的增长、扩散、消散、液化的发生和发展过程、土的残余变形及其随着时间的变化。文中用加权剩余值法详细推导了有限单元法的计算公式。文末举有算例。     

土(尾矿)坝的三维有效应力动力反应分析

本文首先根据试验资料整理出可用于三维应力状态的振动孔隙水压力增长的公式,然后提出了一个计算饱和土体(尾矿)地震反应的三维动力分析方法。该法不仅考虑到动剪应变与动剪切模量之间的非线性关系,而且还考虑到随振动孔隙水压力的逐渐增长而变化的动力性质。这个方法能够求得地震过程中三维应力状态土坝的加速度、动应力,动应变以及振动孔隙水压力随着时间的发展以及液化的开始和发展的过程。 以安徽铜陵尾矿(副)坝为例,采用空间等参数法,用本文提出的分析方法和振动孔隙水压力公式,详细地分析了该坝在0.1g和0.2g地震情况下的各种反应量和稳定情况。     

土动力参数的测试误差与孔压影响研究

地震作为自然灾害之一,引起的破坏是巨大的。在土动力学研究中,土体作为地震波传播介质和结构的地基,其动力性能直接影响结构的安全,也直接影响工程造价,因此研究土的动力参数问题具有重要理论意义和工程应用价值。土的动剪切模量比和阻尼比是土动力学首要参数,工程上一般采用室内实验得到。本文采用单台共振柱仪,设计两种具有代表性的试验组,研究土的动剪切模量比和阻尼比试验误差问题,分析不同类型组之间、模量比和阻尼比之间试验离散性的差异和联系以及试验误差对地震动计算的影响,目的是为了解掌握现有共振柱试验水平以及为改进共振柱试验技术提供依据,并为工程结构抗震概率分析提供基础。最大剪切模量和极限剪应力是基本的土动力计算参数,地震作用下随孔压增长会有很大变化。本文采用新型高精度动三轴仪,通过试验方法对循环最大剪切模量和循环极限剪应力随孔隙水压力的变化规律进行研究,给出更符合实际的孔压增长下循环最大剪切模量和循环极限剪应力的计算公式,并验证了孔压增长下循环最大剪切模量和循环极限剪应力的计算公式的可靠性,为考虑液化下地基动力反应分析提供基础。本文主要工作如下:(1)通过共振柱试验数据,设计两种具有代表性试验组,研究砂土、粘土和粉土动剪切模量比和阻尼比的试验误差,给出两种试验组测试误差的分布形态和基本规律以及不同类型试验组之间、动剪切模量比和阻尼比之间试验误差的差异和联系。(2)以KiK-net台网记录为背景,对当今国内外两个有代表性的土层地震反应分析方法SHAKE2000和LSSRLI-1进行对比研究,根据对比结果选取更适宜的计算程序进行本文的土层反应分析,同时也为土层地震反应分析方法的改进提供必要线索。(3)针对不同类别场地,采用选取的土层反应分析计算程序分析两种试验组下砂土、粘土和粉土的动剪切模量比和阻尼比的试验误差对地震动的影响。(4)采用新型高精度动三轴仪,通过试验方法对循环最大剪切模量和循环极限剪应力随孔隙水压力的变化规律进行研究,给出更符合实际的孔压增长下循环最大剪切模量和循环极限剪应力的计算公式,并研究不同固结比下循环最大剪切模量和循环极限剪应力随孔隙水压力的变化差异。(5)将本文提出的孔压增长下的循环最大剪切模量和循环极限剪应力的修正公式用于有效应力分析程序之中,并将有效应力分析方法的计算结果与实际地震记录进行对比,验证所改进的土层地震反应有效应力分析程序的可靠性。     

常规土类动剪切模量阻尼比超越概率计算方法

土的动剪切模量比和阻尼比是土层地震反应分析、工程场地地震安全性评价和地震小区划工作中的必备参数,但其不确定性显著,对地震动和抗震设计影响很大。本文以我国常规土类动剪切模量比和阻尼比与剪应变非线性关系试验为基础,研究考虑这两个动力参数变异性下其超越概率的计算方法。方法包括了试验数据的整理、超越概率的计算以及两个动力参数和超越概率关系模拟等几个步骤,最后给出了我国常规土类动剪切模量比和阻尼比超越概率的计算公式,为我国基于概率和可靠度思想的工程地震安全风险评估提供了一定基础。     

考虑孔压效应的饱和细砂剪切模量衰减规律研究

通过室内动三轴试验,分析了饱和细砂的动剪切模量演变特性和孔压效应,同时分析了循环荷载作用下相对密度、初始围压等因素的影响,提出了考虑孔压效应条件下饱和细砂动剪切模量的衰减特性,建立了动剪切模量比随孔压比增大而衰减的经验公式。结果表明:不同相对密度饱和细砂的应力-应变滞回圈的变化趋势显著不同;动孔压波动频繁并随时间逐步增长,并且不同的围压和相对密度对孔压比的增长有一定的影响;饱和细砂的动剪切模量随着孔压比的增大而逐渐减小,但不同相对密度饱和细砂的衰减趋势有所不同。通过拟合的曲线可以描述并预测不同相对密度饱和细砂的动剪切模量比随孔压比的衰减特性,具有较好的效果。     

汶川大地震中土坝破坏程度与坝体几何形状的关系分析

调查、搜集和研究了汶川地震中被评定为高危以上险情的147座小型水库土坝的地震破坏情况,给出了高危以上险情土坝的地震破坏程度划分为中等破坏、严重破坏和极严重破坏三个等级的原则和标准,以及土坝的地震破坏程度与地震烈度、土坝的宽高比、上游坡比、坝高的经验关系表,可发现:土坝的几何形状对其破坏程度起着重要的作用;对于6～8度地震烈度区,土坝的宽高比越小,或上游坡比越小,或坝体越高,则土坝的破坏程度越严重;对于9度以上地震烈度区,土坝通常发生极严重破坏。依据高危以上险情土坝的地震反应分析结果,给出了土坝地震破坏程度与土坝宽高比、坝高、土坝上游坡比及坝顶加速度放大系数、坝体最大动剪应力的经验关系曲线,发现在相同的地震烈度水平下,土坝的宽高比越小,或上游坡比越小,或坝高越大,且坝顶加速度放大系数越大或坝体最大动剪应力越大,则其地震破坏程度越严重;坝体最大动剪应力超过30kPa的土坝,通常发生严重或极严重破坏,坝体最大动剪应力大于100kPa的土坝,通常发生极严重破坏;土坝离发震断层越远,则其坝顶加速度放大系数越大。本文给出的高危以上险情土坝的地震破坏程度与坝体几何形状的经验关系,可为今后土坝抗震设计提供参考依据。     

土的动剪切模量非线性特性对地震动的影响研究

通过一维等效线性化方法研究土的动剪切模量非线性特性对土层地震反应的影响,主要分析动剪切模量比与剪应变关系曲线以及最大动剪切模量对反应谱特征周期和地表加速度峰值的影响。结果表明,对于小震和中震,土的动剪切模量比和最大动剪切模量对反应谱特征周期略有影响,对地表加速度峰值影响并不明显;但对于大震,对反应谱特征周期和地表加速度峰值影响较大,随着动剪切模量比和最大动剪切模量的增大,反应谱特征周期减小,地表加速度峰值增大,土层越厚其影响越大。二者对比结果表明,强震下土的动剪切模量比与剪应变关系曲线对地震动的影响程度要比最大动剪切模量对地震动的影响大得多,说明强震下土的动剪切模量比与剪应变关系曲线对土层地震反应会产生更显著影响。     

动三轴试验固结时间对动剪切模量比和阻尼比影响的初步分析

动三轴试验是将试样在轴对称的三轴应力下进行固结,在不排水条件下进行的振动试验,同时可测定土样的动剪切模量比和阻尼比。土的动剪切模量比和阻尼比是土动力学特性的2个重要参数,在工程场地地震安全性评价工作和土层地震反应分析中不可缺少。为了减少工期,提高工效,及时而又准确地提交报告,我们结合自己多年的土工试验经验,对可塑状态以上的粘性土试样进行了缩短固结时间的对比试验,并得到理想的试验结果。     

饱和砂土最大动剪切模量的不同试验对比研究

对233个饱和砂土土样室内试验确定的最大动剪切模量和同一位置现场原位试验确定的最大动剪切模量进行了对比研究。结果表明：两者相差很大,室内试验结果基本上小于现场试验结果,埋藏深的土样相差更大;室内试验的最大动剪切模量与深度符合幂函数规律,且与砂土的密实度有关,与砂土的颗粒成分关系不大。通过工程实例,比较了2种试验最大动剪切模量对地震反应分析的影响,得到了室内试验最大动剪切模量与现场剪切波速的统计经验关系式。该经验关系式对工程场地地震反应分析具有一定的参考应用价值。     

考虑渗流作用的土坝地震反应分析

引入比奥固结理论采用流体-固体完全耦合的方法,考虑了孔隙水流动对坝体的孔隙水压力、应力及变形的影响,并用FLAC对土坝分别进行了耦合与非耦合数值模拟,对比结果表明考虑孔隙水流动时坝体水平变形量和竖向变形量都有所增大而孔隙水压力和有效应力的变化趋势取决于所在坝体的位置;对于地震时间较长,土层较薄,渗透系数较大的坝体需考虑孔隙水的流动。     

埋深对黏性土动剪切模量和阻尼比影响试验研究

动剪切模量和阻尼比是两个重要的土动力学参数,在场地地震反应分析中是不可或缺的基础内容。本文通过对取自江苏地区的397个原状黏性土样进行自振柱试验,深入研究了土的埋藏深度对各类土的最大剪切模量、动剪切模量比和阻尼比与剪应变的关系影响,结果发现:各类土的最大剪切模量均随埋深的增大而增大,二者在统计意义上呈指数关系;埋深对黏性土的动剪切模量比和阻尼比与剪应变关系曲线也有较明显的影响,且这种影响的程度随埋深的增大而减小;动剪切模量比和阻尼比关系曲线受埋深变化影响的敏感性因土类的不同而有明显差异,从本次结果来看,埋深对粉质黏土与粉砂互层的影响最大,对淤泥质土和粉土的影响次之,对黏土和粉质黏土的动力特性影响最小,且每种土动剪切模量与剪应变的关系和阻尼比与剪应变的关系受埋深的影响表现出了不同的变化趋势。此外建立了土层模型进行了地震反应分析,验证了考虑埋深对土动力学参数影响的必要性,在工程上具有一定的参考意义。     

南京细砂动剪切模量和阻尼比的试验研究

动剪切模量和阻尼比是重大工程开展场地地震反应分析必不可少的参数。完成了南京细砂的自振柱和动三轴试验,研究了固结围压、孔隙比、含水量和荷载频率对动剪切模量和阻尼比的影响。试验结果表明:固结围压和孔隙比对最大动剪切模量的影响显著,建立了最大剪切模量与固结围压、孔隙比之间的经验关系,最大剪切模量随细砂中含水量的增加而减小并趋于稳定;固结围压对动剪切模量比具有一定影响,其他3个因素对动剪切模量比和阻尼比的影响不明显;排水条件下泊松比随剪应变幅值的增大而增大,剪应变幅值在1.0×10-4~1.0×10-3范围时,泊松比增大的趋势更加明显;采用自振柱和动三轴试验测试得到的动剪切模量比和阻尼比基本一致。     

汶川地震震损水库土坝动力反应与几何坝形的经验关系

在5·12汶川地震后的四川省水库土坝震害调查成果的基础上,选取汶川地震中受损的有完整资料的96座水库土坝为研究对象,应用等效线性模型对土坝进行了二维动力反应分析。选择3条有代表性的汶川地震实测记录,以三水准峰值加速度输入,得到土坝的动力反应（放大系数、最大动剪应力）与土坝几何形状（宽高比、上游坡比、坝高）间的经验关系。结果表明,土坝放大系数和最大动剪应力随着宽高比和上游坡比的增大而减小,随着坝高的增大而增大;输入波的频谱和峰值强度均对土坝动力反应与其几何形状的经验关系有重要影响。     

铜川新区黄土与古土壤动剪切模量比和阻尼比的统计研究

利用铜川市地震小区划项目的大量典型土样动三轴试验结果,采用双曲线模型拟合得到了铜川新区黄土和古土壤在8个典型应变下的动剪切模量比和阻尼比值。根据不同沉积年代和不同土层深度2种方法对黄土、古土壤动剪切模量比和阻尼比随剪应变变化情况进行了统计和对比分析。研究发现:同一剪应变下,黄土、古土壤动剪切模量比随沉积年代和土层深度的增加而增加。二者对黄土动剪切模量比的影响较为显著。     

固原重塑黄土动力特性共振柱试验研究

利用GCTS共振柱测试仪研究了干密度和固结压力对固原黄土重塑土动剪切模量和阻尼比的影响及试验数据误差的基本规律。通过设计不同工况的试验条件,对比分析结果表明:相同含水率条件下,最大动剪切模量G_(dmax)随固结压力和干密度的增大而增大。相同干密度条件下,黄土的动剪切模量比随围压的增大而增大;阻尼比随围压的增大而减小;相同围压条件下,黄土动剪切模量比随干密度的增大而增大,阻尼比随干密度的增大而减小;不同剪应变特征点的动剪切模量比和阻尼比试验数据呈现一定的离散性,且离散程度阻尼比明显高于动剪切模量比。研究成果可为该地区场地地震反应分析及工程建设提供基础资料。     

岳城水库土坝抗震加固有效应力动力分析

岳城水库土坝采用了上游压坡铺盖加固的方法,以防止坝体动力和静力坍滑。本文对该坝的有压坡铺盖断面和无压坡铺盖断面进行了大量的非线性静力计算和动力计算。静力计算采用应力和渗流一并考虑的计算方法,并考虑水位骤降的影响。动力计算采用非线性的二维有效应力方法。计算中都用等参数单元。文中分析比较了两个断面的静应力、流网、静力稳定安全系数、加速度反应曲线、剪应力反应曲线,最大动剪应力和动剪应变,振动孔隙水压力的分布、振动残余变形、残余位移、动力稳定系数等等。 分析指出,压坡铺盖加周措施对该坝是有效果的。     

辽东湾近海海底土小应变动力特性试验研究

开展场地地震动反应分析是众多海洋工程活动顺利实施和长期安全运行的重要保障,其中查明海底土小应变动力特性是十分关键的。文章借助海上原位钻孔取样和室内共振柱仪对辽东湾近海海底土小应变动力特性开展试验研究,探讨前人总结提出的滨海海底土初始动剪切模量G_max预测经验公式在辽东湾海域的适用性,对比文章试验结果与周边海域已有海底土剪切波速测试结果,分析小应变范围内海底土动剪切模量的衰减特征和阻尼比发展演变趋势,并同时进行定量化模拟预测,评价海底土动剪切模量衰减曲线的归一化特征。研究结果表明：(1)共振柱试验得到的原状海底土剪切波速与周边海域已有海底土剪切波速测试结果吻合良好;(2)相比起陆地土,海洋土在小应变范围内归一化动剪切模量G/G_max衰减得更慢,阻尼比增长得也更慢;(3)通过引入临界剪应变,不同土类和埋深对应的海底土小应变动剪切模量衰减曲线可以进行归一化。研究成果对合理开展海洋工程场地地震动反应分析评价具有一定的指导意义。     

砂卵(砾)石动剪切模量比与阻尼比的试验研究

砂卵(砾)石的动剪切模量比和阻尼比是河谷地貌场地地震反应分析的重要参数,对设计地震动参数的确定有重要影响。本文利用商洛市地震小区划项目砂卵石的动三轴试验结果,结合其他砂卵(砾)石动三轴试验结果,分组统计得到了稍密、中密、密实砂卵(砾)动三轴试验的推荐结果。建立了典型场地模型,研究了其动剪切模量比和阻尼比的不确定性对场地地震反应的影响。研究表明:动剪切模量比、阻尼比平均值±1倍标准差的不确定性对砂卵石场地峰值加速度的影响较小,说明了分组及统计结果的合理性;不同概率水平下,动剪模量比、阻尼比的变化导致高频部分反应谱有明显差异,0.04-0.1s的反应谱变化范围在20%左右,但对大于1.0s的长周期反应谱影响很小。针对砂卵(砾)石动剪切模量比和阻尼比的研究对提高工程场地设计地震动参数的可靠性具有重要意义。     

震级标度的不一致与震源的复杂性

矩震级标度是从地震矩换算过来的,换算关系中地震应力降与剪切模量估算的不准确会对矩震级标度产生影响.本文利用1976年1月~2006年12月发生在东经75°~135°,北纬15°~55°的M≥5地震的矩震级与面波震级,探讨了应力降与剪切模量的比值Δσ/μ在中国及邻区以及在不同震级下的分布特征.中国大陆及邻区的Δσ/μ值分布较分散,不同地区的Δσ/μ值明显不同,且绝大部分值大于矩震级和地震矩换算关系中使用的全球平均值.对于同一地区不同震级的地震,其Δσ/μ值也不一样,震级大,Δσ/μ值通常也大.研究认为剪切模量和地震应力降的估计对矩震级标度的影响不能忽略.     

地震触发砂土液化总应力判别法——以北京密云水库白河主坝震害为例

在二维应力状态下，地震在土体中不仅产生水平剪应力τvh，而且引起一般情况不可忽略的竖向动正应力σv及水平动正应力σh，在研究地震触发砂土液化的应力条件及液化判别方法时尖考虑这三种动应力的联合作用，本文基于莫尔－库伦强度准则，采用总应力方法，能够考虑地震动水平剪应力τvh，竖向动正应力σv及水平动正应力σh共同作用的砂土液化判别准则，并且经北京密云水库白河主坝震害为例，说明了这种液化判别准则的有效性及其使用方法。